Датчик силы

СОЮЗ СОВЕТСНИХ ОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 191 ЯО и 1)4 С 01 ТВ У 26ательский и конт испытательныхедств измерения м/10, 1981. ое с СУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ОРСНОМУ СВЙДЕТ(57) Изобретение может быть использовано при создании датчиков механических параметров с вибропреобразователем. Для повышения точности устройства скоба 3 выполнена из трехслоев 4 - б полупроводникового материала двух типов проводимости, а вибропреобразователь образован выступами 8,9 с токовыводами 10, 11 и перемычкой 2. При подаче переменного напряжения к токовыводам 10 или 11 итоковыводу 7 в перемычке 2 возбуждаются поперечные колебания с частотой1241512ее собственных колебаний в свободном ем приложенного усилия частота коле- состоянии, В зависимости от дефор- баний вибропреобразователя буцет мемации упругого элемента пед действи- няться, ,2 ил.ЧИзобретение относится к приборостроению и может использоваться при создании датчиков механических параметров с вибропреобразователем.Целью изобретения является ловы шение точности,На фиг, 1 представлен датчик силы, с закрепленным на упругом элементе чувствительным элементом, общий вид; на фиг. 2 - конструкция чувствительного элемента.Силоизмерительный датчик состоит из упругого элемента 1, на котором закреплен вибропреобразователь 2 со1 4) скобой 3, изготовленные монолитно из одного монокристалла полупроводника, например кремния.Монолитная скоба 3 состоит иэ трех, расположенных параллельно основанию скобы слоев 4 - 6 полупроводника различного типа проводимости, Например, нижний слой 4 состоит из кремния и-типа проводимости с уцель" ным сопротивлением 1 7 5 Ом см 3 . средний слой 5 состоит из кремния р" -типа . с удельным сопротивлением р = 0,001 Ом см, а верхний слой 6 состоит из кремния и"типа проводи.мости с удельным сопротивлением3,5 Ом см. Слои выполнены по интегральной технологии, при этом верхний слой 6 имеет три разрыва, вскрывающие поверхность центрального слоя5 в трех местах. К одной из вскрытых областей слоя 5 изготовлен токовы- З 5 вод 7.Вибропреобразователь 2 расположен симметрично продольной 0-0 и поперечной О -0 осям скобы 3, изготовленной из кремния р-типа проводимости ф с 1 = 0,001 Ом см и монолитно соединен с площадками 8 и 9 третьегослоя 6.Вибропреобраэователь 2 выполнен в форме нити и снабжен двумя токовы водами 10 и 11 из кремния р+-типа проводимости с р - . 0,001 Ом см. К токовыводам присоединены выводные проводники 12 из микропроводя.Технология изготовления чувствительных элементов датчиков силы осно. вывается на методе управляемого анизотропного травления кремния с подтравлнванием (стоп-процесс) и сводится к следующим основным операциям еКремниевая пластина и-типа проводимости с удельным сопротивлением 35-7.5 Ом см. сильно легируется бором до концентрации ) 5 10 см на глубину 3-5 мкм.Пленка кремния выполняет две функции: служит барьером, тормозящим процесс травления кремния по нертикалиф выполняет роль возбуцителя колебаний вибропреабразователя когда к ней и вибропреобразователю прикладывается переменное напряжение.Далее со стороны легированной плеНки р -типа проводимости выращивается эпитаксиальный слой и-типа с удельным сопротивлением 3,5-7,5 Ом см толщиной 2-5 мкм (толщина определяется требуемым зазором между вибропреобразователем и вторым слоем). После чего на эпитаксиальный слойосаждается или выращивается пленка защитного диэлектрика ЯвХ или Б 10, в которой формируются окна в форме вибропреобразователей с контактньп я площадками, В окна производится диффузия или ионное легирование бора до концентрации5 1 О" смна глубину 0,5-2 мкм (определяется толщиной вибропреобразователя). Затем произвоДится металлизация контактных площадо, например алюминием, защита контактных площадок и мест закрепления: вчбропреобраэователя перед травлением кремния, удаление защитногс диэлектрика и травление вскрытого кремния и-типа в травителе, состоящем из этилендиамина, пирокатехина и воды, Тра1244512 Тираж 778 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5.Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4 витель имеет нулевую скорость травления кремния с концентрацией бора) 5 10" смПритравлении кремния происходитформообразование вибропреобразователей, так как в указанном травителетравится только и-тип, а р - нетравится. После травления пластинатщательно промывается, сушится ипоступает на операцию разделения на 1 Одискретные чувствительные элементыдатчиков силы.Датчик силы работает следующимобразом,Между одним из токовыводов 10 15или 11 к кристаллу, например 9 и токовыводу 7 через выводные проводники12 прикладывается переменное напряжение (не показано), частота которого близка к собственной частоте механических колебаний нити. За счетэлектростатического взаимодействиязаряженной нити (вибропреобразователя) и заряженного центрального слоя5 скобы возникают поперечные колебания нити 2, равные ее собственнойчастоте колебаний в свободном (ненагруженном) состоянии. При приложении измеряемого усилия Р к датчикучастота колебаний вибропреобразовате-ЗОля 2 будет изменяться и зависеть отдеформации упругого элемента 1,При колебаниях нити 2 ее электрическое сопротивление К изменяетсяс удвоенной частотой по отношению.к частоте механических колебаний нити. Следовательно, прикладывая к токовыводам 10 и 11 нити постоянноеэлектрическое напряжение (не показа.но) через вибропреобразователь 2потечет перемейный (пульсирующий)ток, частота изменений которого будет служить информацией о величинедействующей силы,Использование предлагаемого датчика силы с монолитно изготовленнымвибропреобразователем и скобой позволяет повысить точность измеренийв 2-3 раза по сравнению с известнымза счет более качественного (надежСоставитель А,ЭконРедактор Ю,Середа Техред В.Кадар ного и определенного) закрепления концов вибропреобразователя и устранения паразитных термоупругих напряжений, возникающих в нити, при использовании разнородных материалов для скобы, нити и узлов закрепления.Таким образомконструкция предлагаемого датчика более технологичначем все известные идля ееизготовления приемлемы групповыеприемы изготовления,используемые вмикроэлектронике.Особенности конструкциии современныевозможности технологиипозволяют изготовить вибропреобразователи вмонолитном исполнении со скобой в миниатюрных и субминиатюрных размерах. Оптимальными следует считать размеры нити 1=50- 100,Ь=5-10,Ь=0,5-2 мкм и соответственно размер скобы= 2-5, Ь = 0,5- 1,0 и Ь = 0,2-0,4 мм.Датчики изготовленные на основе таких вибропреобразователей с учетом хорошей повторяемости геометрических и физических параметров нитей при групповых процессах, будут обладать идентичными, воспроизводимыми характеристиками, что обеспечит.их полную взаимозаменяемость и унификацию на практике,Формула изобретения Датчик силы, содержащий упругий элемент, скобу с токовыводом и закрепленным на ней вибропреобразователем в виде монокристалла с двумя токовыводами, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, скоба выполнена из трех слоев полупроводникового материала двух типов проводимости, при этомвибропреобразователь образован двумя выступами и перемычкой между ними в материале одного из наружных слоев и размещен симметрично относительно продольной и поперечной осей скобы, внутренний слой с токовыводом и перемычка вибро- преобразователя с двумя токовыводами выполнены р-типа проводимости, а наружные слои - п-типа проводимости.омов .Корректор А,Зимокосов